基于空间状态方程的车辆悬架的仿真分析
基于空间状态方程的车辆悬架的仿真分析[20200408213314]
摘 要
车辆运行的平顺性和操纵稳定性直接取决于汽车悬架性能的差异。近代而言汽车上主要采用被动悬架系统，由于阻尼等参数无法调节，在不同环境下工作的车辆难以达到预期要求。为实现车辆悬架性能的最大化，主动悬架系统应运而生。主动悬架能够按照工况改变，实时主动调整和形成所需悬架的控制力，用于降低车辆的振动，保证悬架能够实现最佳减振状态，实现汽车的乘坐舒适度和操纵稳定性共同完善的目的。因此，主动悬架将成为今后悬架研究的主题。
本文主要是对悬架系统的仿真分析，建立被动和主动悬架的动力学模型。同时利用仿真软件MATLAB/SIMULINK，建立被动和主动悬架的仿真模型。对仿真结果进行对比分析，证实LQG主动悬架对轮胎动载荷变换有着最为有效的控制作用。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:车辆悬架最优控制SIMULINK仿真
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 课题的意义 2
1.3 课题的研究内容 2
2. 车辆悬架的概述 3
2.1 车辆悬架系统的基本介绍 3
2.1.1 被动悬架 3
2.1.2 主动悬架 3
2.1.3 半主动悬架 4
2.2 车辆悬架的作用 5
2.3 车辆悬架的类型 6
3. 车辆悬架的动力学模型 7
3.1 常用的基本车体模型介绍 7
3.2 悬架的动力学模型 8
3.2.1 被动悬架的动力学模型 8
3.2.2 主动悬架的动力学模型 10
4. 基于状态空间方程的悬架模型建立 12
4.1 悬架系统控制策略 12
4.1.1 最优控制 12
4.1.2 自适应控制 13
4.1.3 模糊控制 13
4.1.4 神经网络控制 13
4.2 最优控制理论介绍 13
4.2.1 最优控制的基本原理 14
4.2.2 最优控制的设计 15
4.3 基于MATLAB/simulink的悬架模型的建立 16
4.3.1 被动悬架模型的建立与仿真分析 16
4.3.2 主动悬架的建立与仿真分析 17
4.3.3 LQG主动悬架与传统被动悬架简要对比分析 20
5. 总结 22
参考文献 23
致谢 24
1.2.绪论
1.1 课题背景
汽车悬架性能直接作用于汽车行驶速度、操纵稳定性和行驶平顺性。汽车运行中的平顺性与操纵稳定性是彼此对立的,选用最优化为目标根据研究数据进行研究开发被动悬架的方式，一旦采用，其数据参数不能进行调整，且车辆参数，操作条件和其他复杂的工况不能够适应。在特定的条件下悬架系统根据优化目标，负载，速度和道路条件的变化，在新的条件下悬架不再是最优的。近些年来，迅速发展的电子技术、控制技术、机械动力学和其他科学领域，从车辆悬架的成功转型由被动转向主动。最优、自适应和模糊控制也包括人工神经网络更受到人们普遍关注的话题, 在理论方面的探索硕果累累, 现今振动控制将成为悬架研究的主题,运用于悬架的振动控制在人们努力下开发中飞速发展。
目前全主动、半主动悬架已经成为了世界各国的汽车行业重要的研究目标行列。早在1982 年，Lotus 公司就研制出有源主动悬架系统[1]，瑞典Volvo 公司在旗下车上安装了其实验性的Lotus 主动悬架系统。丰田汽车公司1986 年的Soarer 车型采用了能分别对阻尼和刚度进行三级调节的空气悬架[2]。1989 年丰田Celica 车型上装置了真正意义上的主动油气悬架系统[3]。于1990 年尼桑公司首先在InfiniteQ45 轿车上组装了液压主动悬架。
此外，保时捷，福特，奔驰等公司均在其高级轿车上装备有各自、开发的主动悬架系统[4]。2004 年保时捷新车911 就配备了全新的主动悬架系统[5]。
对军方汽车而言更为急切的运用主动悬架，弥补对车辆越野和高速行驶方面的需求。最早对主动悬架的研究与运用在军事车上，英国在70年代初开始在“蝎子”采用机械悬架系统[4-5]轻型坦克。在05年末一家名为L-3 的美国公司首先设计研究的电控主动式悬架系统（ECASS）首次运用在“悍马”上。
目前大部分国外的汽车已经开始装配主动悬架，但其实现汽车市场大量运用仍存在很大问题，其中最主要的两个难点是成本高昂和能源的消耗量超过期望值。当前主动悬架仅仅应用于某种较高排量和高档轿车上。如何克服这些难点，我们应该研究如下：
（1）将主动悬架和各类转向控制系统联合控制。
（2）如何减少或降低悬架对发动机功率的消耗，值得我们进行大量的探索和深入研究的项目。
1.2 课题的意义
汽车悬架系统在车结构上有着举足轻重的地位，对形式的稳定和操作的便捷起到非常重要的影响。因此如何对悬架系统实现模拟和计算，对于悬架的设计有着深远的影响。本课题运用现代控制理论，建立悬架的空间方程，同时进行仿真。通过仿真结果，可以发现影响悬架性能的关键因素。本课题具有较强的实际应用价值。
1.3 课题的研究内容
本文着重于探索控制策略方面的知识,对动力学模型的探索与建立，最优控制方案的分析与研究，运行MATLAB/SIMULINK 软件将创建的模型作计算模拟,利用比较的方式研究这个控制策略的控制结果。
本文具体研究内容如下：
1）对车辆动力学的相关知识进行研究并运用，简要了解汽车悬架系统的动态特性，制作关于自由悬架的力学模型。考究悬架受到道路扰动的哪些影响，可以通过制作数学图形，将其进行仿真分析。
2）主动悬架目前仍处于最领先的科学地位，因此如何控制发生器的运作过程，在过去研究成果的基础上，与本文相关的理论成就主要位于现代控制理论在智能控制领域，而且建立汽车悬架系统的线性的简单总成，继而汽车主动悬架控制系统运用最优控制理论来进行制作。
3)运行软件Mat1ab/Simulink设计了悬架系统控制模拟计算。于此实行Matlab 语言编制主动悬架操作分析。更换相应的操作场地，更有利于显示控制特性，以保证他的控制数值。
4）通过将主动悬架和被动悬架的仿真结果反复比较研究，从而检验主动悬架最优控制的控制效果。
2.车辆悬架的概述
2.1 车辆悬架系统的基本介绍
通过控制力不同，车辆悬架的三大组成：被动悬架、主动悬架和半主动悬架。
2.1.1 被动悬架
弹簧、减震器和导向元件作为设计被动悬架的主要成分。最佳减振无法通过更换被动悬架的刚度与阻尼系数实行，必须通过特殊的情况下获取，当缺少灵活性较佳时乘坐舒适性和操纵稳定性都会相对下降，三者无法同时达到期望效果。但被动悬架不仅结构简单、简便的设计和其制造更为方便，最主要是无需额外的能量需求。现今被动悬架在中抵挡轿车上得以推广。为了提高被动悬架的阻尼效果，实现当今车辆的发展更进的需求，设计出最新且最优悬架数值和将悬架导向机构的探索使国内外汽车进行改良，运用拥有横向稳定杆的多连杆部分悬架系统，于某种情况下，被动悬架阻尼功用得以提高。
图2.1 被动悬架示意图
2.1.2 主动悬架
主动悬架的设计起初是有一家名为AP公司为研究气液悬架的一类机械系[6]。主动悬架通常是由三成份装配：传感装置、控制装置以及执行器，与汽车系统相结合构出闭环控制系统。其中整个系统的信息分析与管理中心是控制器，自各个传感器的信号由其来接受，由于数据处理方式和设计前提的要求，影响各个过程的进行，如何解决运动状态的问题，以满足机体减振要求的目标。
车辆状态变量函数是主动悬架内某种作动器更换了传统被动悬架内所对应的位置时其受到的作用力，可以通过运行条件实现最优的悬架功用，因此其必须通过传感器、控制器、作动器、伺服阀等实现，且外来的能量供应的要求，因而成本太过高昂，阻碍了主动悬架在汽车中推广和应用。响应范围不一致的作动器，有限带宽与带宽悬架两个部分建立，于某些资料上也被命名为“全主动悬架”和“慢主动悬架”。
摘 要
车辆运行的平顺性和操纵稳定性直接取决于汽车悬架性能的差异。近代而言汽车上主要采用被动悬架系统，由于阻尼等参数无法调节，在不同环境下工作的车辆难以达到预期要求。为实现车辆悬架性能的最大化，主动悬架系统应运而生。主动悬架能够按照工况改变，实时主动调整和形成所需悬架的控制力，用于降低车辆的振动，保证悬架能够实现最佳减振状态，实现汽车的乘坐舒适度和操纵稳定性共同完善的目的。因此，主动悬架将成为今后悬架研究的主题。
本文主要是对悬架系统的仿真分析，建立被动和主动悬架的动力学模型。同时利用仿真软件MATLAB/SIMULINK，建立被动和主动悬架的仿真模型。对仿真结果进行对比分析，证实LQG主动悬架对轮胎动载荷变换有着最为有效的控制作用。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:车辆悬架最优控制SIMULINK仿真
目 录
1. 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 课题的意义 2
1.3 课题的研究内容 2
2. 车辆悬架的概述 3
2.1 车辆悬架系统的基本介绍 3
2.1.1 被动悬架 3
2.1.2 主动悬架 3
2.1.3 半主动悬架 4
2.2 车辆悬架的作用 5
2.3 车辆悬架的类型 6
3. 车辆悬架的动力学模型 7
3.1 常用的基本车体模型介绍 7
3.2 悬架的动力学模型 8
3.2.1 被动悬架的动力学模型 8
3.2.2 主动悬架的动力学模型 10
4. 基于状态空间方程的悬架模型建立 12
4.1 悬架系统控制策略 12
4.1.1 最优控制 12
4.1.2 自适应控制 13
4.1.3 模糊控制 13
4.1.4 神经网络控制 13
4.2 最优控制理论介绍 13
4.2.1 最优控制的基本原理 14
4.2.2 最优控制的设计 15
4.3 基于MATLAB/simulink的悬架模型的建立 16
4.3.1 被动悬架模型的建立与仿真分析 16
4.3.2 主动悬架的建立与仿真分析 17
4.3.3 LQG主动悬架与传统被动悬架简要对比分析 20
5. 总结 22
参考文献 23
致谢 24
1.2.绪论
1.1 课题背景
汽车悬架性能直接作用于汽车行驶速度、操纵稳定性和行驶平顺性。汽车运行中的平顺性与操纵稳定性是彼此对立的,选用最优化为目标根据研究数据进行研究开发被动悬架的方式，一旦采用，其数据参数不能进行调整，且车辆参数，操作条件和其他复杂的工况不能够适应。在特定的条件下悬架系统根据优化目标，负载，速度和道路条件的变化，在新的条件下悬架不再是最优的。近些年来，迅速发展的电子技术、控制技术、机械动力学和其他科学领域，从车辆悬架的成功转型由被动转向主动。最优、自适应和模糊控制也包括人工神经网络更受到人们普遍关注的话题, 在理论方面的探索硕果累累, 现今振动控制将成为悬架研究的主题,运用于悬架的振动控制在人们努力下开发中飞速发展。
目前全主动、半主动悬架已经成为了世界各国的汽车行业重要的研究目标行列。早在1982 年，Lotus 公司就研制出有源主动悬架系统[1]，瑞典Volvo 公司在旗下车上安装了其实验性的Lotus 主动悬架系统。丰田汽车公司1986 年的Soarer 车型采用了能分别对阻尼和刚度进行三级调节的空气悬架[2]。1989 年丰田Celica 车型上装置了真正意义上的主动油气悬架系统[3]。于1990 年尼桑公司首先在InfiniteQ45 轿车上组装了液压主动悬架。
此外，保时捷，福特，奔驰等公司均在其高级轿车上装备有各自、开发的主动悬架系统[4]。2004 年保时捷新车911 就配备了全新的主动悬架系统[5]。
对军方汽车而言更为急切的运用主动悬架，弥补对车辆越野和高速行驶方面的需求。最早对主动悬架的研究与运用在军事车上，英国在70年代初开始在“蝎子”采用机械悬架系统[4-5]轻型坦克。在05年末一家名为L-3 的美国公司首先设计研究的电控主动式悬架系统（ECASS）首次运用在“悍马”上。
目前大部分国外的汽车已经开始装配主动悬架，但其实现汽车市场大量运用仍存在很大问题，其中最主要的两个难点是成本高昂和能源的消耗量超过期望值。当前主动悬架仅仅应用于某种较高排量和高档轿车上。如何克服这些难点，我们应该研究如下：
（1）将主动悬架和各类转向控制系统联合控制。
（2）如何减少或降低悬架对发动机功率的消耗，值得我们进行大量的探索和深入研究的项目。
1.2 课题的意义
汽车悬架系统在车结构上有着举足轻重的地位，对形式的稳定和操作的便捷起到非常重要的影响。因此如何对悬架系统实现模拟和计算，对于悬架的设计有着深远的影响。本课题运用现代控制理论，建立悬架的空间方程，同时进行仿真。通过仿真结果，可以发现影响悬架性能的关键因素。本课题具有较强的实际应用价值。
1.3 课题的研究内容
本文着重于探索控制策略方面的知识,对动力学模型的探索与建立，最优控制方案的分析与研究，运行MATLAB/SIMULINK 软件将创建的模型作计算模拟,利用比较的方式研究这个控制策略的控制结果。
本文具体研究内容如下：
1）对车辆动力学的相关知识进行研究并运用，简要了解汽车悬架系统的动态特性，制作关于自由悬架的力学模型。考究悬架受到道路扰动的哪些影响，可以通过制作数学图形，将其进行仿真分析。
2）主动悬架目前仍处于最领先的科学地位，因此如何控制发生器的运作过程，在过去研究成果的基础上，与本文相关的理论成就主要位于现代控制理论在智能控制领域，而且建立汽车悬架系统的线性的简单总成，继而汽车主动悬架控制系统运用最优控制理论来进行制作。
3)运行软件Mat1ab/Simulink设计了悬架系统控制模拟计算。于此实行Matlab 语言编制主动悬架操作分析。更换相应的操作场地，更有利于显示控制特性，以保证他的控制数值。
4）通过将主动悬架和被动悬架的仿真结果反复比较研究，从而检验主动悬架最优控制的控制效果。
2.车辆悬架的概述
2.1 车辆悬架系统的基本介绍
通过控制力不同，车辆悬架的三大组成：被动悬架、主动悬架和半主动悬架。
2.1.1 被动悬架
弹簧、减震器和导向元件作为设计被动悬架的主要成分。最佳减振无法通过更换被动悬架的刚度与阻尼系数实行，必须通过特殊的情况下获取，当缺少灵活性较佳时乘坐舒适性和操纵稳定性都会相对下降，三者无法同时达到期望效果。但被动悬架不仅结构简单、简便的设计和其制造更为方便，最主要是无需额外的能量需求。现今被动悬架在中抵挡轿车上得以推广。为了提高被动悬架的阻尼效果，实现当今车辆的发展更进的需求，设计出最新且最优悬架数值和将悬架导向机构的探索使国内外汽车进行改良，运用拥有横向稳定杆的多连杆部分悬架系统，于某种情况下，被动悬架阻尼功用得以提高。
图2.1 被动悬架示意图
2.1.2 主动悬架
主动悬架的设计起初是有一家名为AP公司为研究气液悬架的一类机械系[6]。主动悬架通常是由三成份装配：传感装置、控制装置以及执行器，与汽车系统相结合构出闭环控制系统。其中整个系统的信息分析与管理中心是控制器，自各个传感器的信号由其来接受，由于数据处理方式和设计前提的要求，影响各个过程的进行，如何解决运动状态的问题，以满足机体减振要求的目标。
车辆状态变量函数是主动悬架内某种作动器更换了传统被动悬架内所对应的位置时其受到的作用力，可以通过运行条件实现最优的悬架功用，因此其必须通过传感器、控制器、作动器、伺服阀等实现，且外来的能量供应的要求，因而成本太过高昂，阻碍了主动悬架在汽车中推广和应用。响应范围不一致的作动器，有限带宽与带宽悬架两个部分建立，于某些资料上也被命名为“全主动悬架”和“慢主动悬架”。
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